This is the translation. The source page is located here: http://paulbourke.net/reconstruction/laservs3d/
Написано от Пол Бурк/Paul Bourke
Май 2016 г.
По-долу са обобщени разликите и относителните достойнства между лазерното сканиране и 3D реконструкцията от снимки в контекста на запис в археологията. Предвижда се да бъде неформална дискусия, насочена към често задаван въпрос, а именно: „Трябва ли да използвам лазерен скенер или да използвам 3D реконструкция (често наричана фотограметрични техники), за да заснема 3D модел на X“? Относителните достойнства ще бъдат илюстрирани с пример, който използва както лазерно сканиране, така и 3D реконструкция, за да заснеме модел на скален заслон, използван от местни австралийци. Прави се опит да се обхванат всички възможни съображения, за да се помогне на всеки, който обмисля коя от тези цифрови технологии за запис да използва.
Трябва да се отбележи, че авторът е практикуващ подхода за 3D реконструкция. Но ще бъдат положени усилия да се представи справедливо сравнението, като се отбележи отново, че то се основава на действителен запис на един и същ сайт с двете технологии, тъй като може да се направи такова пряко сравнение. Също така се отбелязва, че както при всеки доклад, сравняващ технологиите, той може да остарее, когато станат достъпни по-нови продукти и алгоритми.
Сайтът
Скалния заслон се намира в регион, известен като Западен Анджелис в Западна Австралия. Дължината му е приблизително 50 метра, дълбочина 20 метра и височина между 1,6 и 3 метра. Интерактивна панорама 360×180 на сайта може да се види по-долу.
Хардуерът
Използваният лазерен скенер беше Leica C10 (зелена светлина, 532нм). За да се сведат до минимум зоните на запушване поради силно извитата природа на скалния заслон, бяха получени 6 сканирания, всеки от различно място. Позицията на референтните маркери бяха геореферирани с кинематично GPS наблюдение. Последващата обработка беше извършена със софтуера Leica Cyclone. Сканирането доведе до малко под 110 милиона точки с около 80 милиона от самия заслон и близките околности.
Фотографията за 3D реконструкция е Canon 5D Mk III, 20 + Mпиксел пълнокадрова камера и 28-милиметров обектив. Софтуерът за извършване на реконструкцията се състои от търговски пакет, наречен PhotoScan, както и тръбопровод, разработен от автора. Докато едното или другото от тези две софтуерни решения може да се представи по-добре от другото при някои обстоятелства, за този модел резултатите бяха до голяма степен еднакви. Поради извитата природа на пещерата са направени почти 2000 снимки. Ss според нормата за този процес, всяка снимка се прави от различна позиция. Изборът за реконструкцията беше мрежа от 2 милиона триъгълника, това беше, за да може удобно да се използва в рамките на навигацията в реално време. За архивни цели е създадена 5 милионна триъгълна мрежа. И в двата случая текстурите са създадени като четири 4K изображения.
Точност
Малък е въпросът, че лазерните скенери са по-точни. В зависимост от модела те са надеждно оценени с известна максимална грешка. В зависимост от точния скенер и конфигурацията той може да бъде в диапазона mm или дори по-малък. Когато се обсъжда точността в този контекст, това се отнася само за части от модела, видими от лазерния скенер, как се оценява безкрайно неточния характер на части от модела, които не се виждат. За силно сгънати обекти като примера, използван тук, се изисква потенциално голям брой места за лазерни станции. Въпреки че в този пример са използвани 6 места, има много зони на запушване. По-долу е показан изглед на точков облак от позицията на един от лазерните скенери (вляво), средното и дясното изображение са изгледи от различни позиции, показващи части от модела, които не се виждат от нито една от лазерните позиции.
3D реконструкцията, извършена оптимално, има различно местоположение на камерата за всяка снимка, което води до много по-малко области на оклузия. Въпреки това при реконструирани 3D модели грешката е по-променлива, по-зависима от размера на обекта и броя на направените снимки и уменията на фотографа (вижте по-късно). 3D реконструкцията може да доведе до грешки в глобален мащаб и изкривяване, тоест изкривяване в мащаба на целия обект. Такива проблеми с мащаба и изкривяването могат да бъдат решени с по-строги техники, включително геолокационни референтни маркери или известни размерени дължини. Това не беше извършено тук поради негативното въздействие върху други желани характеристики на 3D реконструкцията, а именно скоростта на улавяне и ограниченията на оборудването.
Качество на текстурата
Качеството на текстурата на реконструираните 3D повърхности се приема за по-добро от лазерните скенери. При първия това зависи от разделителната способност на камерата и размера на сниманите петна. Качеството на текстурите също зависи от уменията на фотографа, докато при лазерно сканиране то е по-последователно. Могат да възникнат грешки в текстурата на получената мрежа, като те обикновено се въвеждат от етапа на повторна проекция на алгоритъма, където снимките от камерите и необходимостта от смесване на избраните части от снимките в 3D мрежата. Това е подобно на грешките, възникващи от деформация и смесване при панорамна фотография.
За лазерно сканиране цветната разделителна способност е на точка. Като цяло камерата за лазерен скенер е изместена от сканиращия лъч, така че могат да възникнат грешки поради паралакс.
Условия на осветление
Сравняването на представянето на двете техники при различни условия на осветление е по-трудно и зависи от използвания лазерен скенер. За тъмни черни пространства лазерният скенер ще работи с по-малко проблеми, докато снимките биха били проблематични, особено ако ръката, която авторът поддържа, е важна за времето, необходимо за заснемане. За сравнение лазерните скенери обикновено имат повече проблеми със силно осветени пространства, като пряка слънчева светлина, докато фотографията се възползва от това, като използва малки отвори и подобрена дълбочина на фокусиране.
И в двата случая вариациите в осветлението влияят на цвета на крайния резултат, това обикновено е по-ясно изразено в случай на 3D реконструкция.
Отразяващи или тъмни материали
И двете техники страдат от определени видове материали. 3D възстановяването е неуспешно с отразяващи повърхности, тъй като етапът на точката на обекта ще идентифицира характеристики в отраженията, като резултатът е неправилно изчисление на дълбочината. Това е двойно проблематично за извити отразяващи повърхности, където дълбочините на точките на характеристиките се различават. Лазерното сканиране също страда от отразяващи повърхности, но проблеми ще възникнат по-рано при 3D реконструкция. И двете техники могат да имат проблеми с много тъмни (поглъщащи светлина) повърхности, лазерният скенер да не получава обратен сигнал и в случай на 3D реконструкции не могат да бъдат открити точки от характеристики между снимките.
Облак от точки или повърхностна мрежа
Ключова разлика между двете техники е типът данни, които те предоставят. В единия случай облак от цветни точки (x, y, z, r, g, b), в другия – текстурирана мрежеста повърхност. Докато облакът от точки от лазерно сканиране все още може да се преобразува в мрежа, проблемът е по-труден от извеждането на мрежа по време на процеса на 3D възстановяване поради наличната по-малко информация. Структурата на мрежата също би била по-ниска поради естеството на информацията за цвета за всяка точка.
Има редица приложения, за които текстурирана повърхностна мрежа е по-полезна или дори необходима. Те включват използването на 3D модела в конвейери за 3D рендиране или като интерактивна среда за виртуална реалност. Не само, че текстурираните мрежи се поддържат по-лесно, но и имат предимството да не стават „по-тънки“ с приближаването. Цветните облаци на точки могат да изглеждат твърди, когато са достатъчно далеч в сравнение с разделителната способност на екрана. Или когато са подходящо плътни, но това повдига въпроса за обема на данните и колко ефективно е представена повърхността. Например, 110 милиона точки тук обикновено не биха се считали за особено плътно лазерно сканиране, но интерактивната навигация в такъв облак от точки е значително по-голямо графично натоварване от 2 милиона триъгълна мрежа, като по-късно има значително по-голяма визуална привлекателност.
Мащабирането на текстурирана мрежа от 3D реконструкция води до обичайния размит вид на изображението, който се появява при мащабиране на всяко изображение, когато пикселът на изображението започне да обхваща повече от един дисплей.
Покритие
Предимство на лазерните сканирания е, че те обикновено заснемат повече от сцената, отколкото е необходимо. Снимката за 3D реконструкция е по-насочена към въпросната материя. В примера тук и показан по-долу са записани дървета и по-широка площ пред заслона. Въпреки че дърветата не са истински 3D обекти, те обаче представляват част от контекста на сайта. Имайте предвид, че на фигурата под облака на точките е изрязан, са записани някои дори по-отдалечени обекти.
Изолирани оклудери
И двете технологии се борят да се справят на преден план, изолирани оклудери, в случая казват ствол на дърво във входа на заслоните. Лазерното сканиране ще изисква редица позиции на лазерно сканиране около оклудера, за да улови формата от всички страни. За 3D реконструкция ограничението е свързано повече с алгоритмите и способността им да създават функционални точки, свързващи оклудера с останалата част от сцената.
Разходи за оборудване
Един добър огледално-рефлексен фотоапарат и първокласен обектив, подходящи за 3D възстановяване, струват значително по-малко от лазерния скенер.
Време за изпълнение
В примера тук, за да се постигне покритие на извитата форма на скалния заслон, бяха извършени 6 сканирания от позиции, насочени към минимизиране на слепите петна. Снимката отне по-малко от 30 минути, всяка позиция на лазерно сканиране отне около 1 час след включване на времето за настройка и калибриране. Накратко, 30 минути в сравнение с ден.
Времената за последваща обработка са сравними между двете техники, и двете могат да бъдат значителни.
Оборудване
Тежестта на лазерните скенери и свързания с тях хардуер (тежки стативи, батерии) за дистанционно разполагане, особено в неравен терен, може да бъде доста предизвикателна. 3D реконструкцията изисква само една огледално-рефлексна камера и скромен обектив или две. Статовете за фотография за 3D реконструкция се използват рядко, с изключение на условия със светлина и не са необходими в този пример, въпреки че обектът има силно изменение на осветлението от пряка слънчева светлина до сянка в заслона.
Инвазивност
И двете техники се считат за неинвазивни. И двамата изискват човешки оператор в космоса, лазерното сканиране допълнително изисква статив. Възможно е да има случаи, когато лазерният лъч може да повреди улавяната повърхност, но това е рядко и със сигурност не е съображение в примера тук. Има съображение за безопасността на лазерния лъч с хора в непосредствена близост. Също така за 3D реконструкции човек не иска хората да се движат в пространството. И двете техники могат да се справят с определена степен на движение в околната среда, при условие, че тя не е нито в текущата посока на сканиране, нито в зоната, която се снима в момента.
Експертиза на оператора
Лазерният скенер обикновено се извършва от някой, който е завършил курс по правилната операция. За разлика от това, непринудеността и липсата на специализиран хардуер, с който може да се опита 3D реконструкция, означава, че често фотографията не се извършва оптимално. Има много малко курсове, в които човек изучава техниките, и подобно на други области на фотографията има включено умение, което се придобива чрез практика. Например два фотографски придобити модела от различни оператори ще покажат много повече вариации в качеството от модела, придобити от два различни оператора на лазерно сканиране. Неспециализираният аспект на 3D реконструкцията може да се счита за предимство, но едно от последствията е, че често се използва лоша фотографска техника. Това не само води до неоптимални 3D модели, но може и да пристрасти сравнението с лазерното сканиране.
Обобщение
Оставяйки настрана среди или повърхности, където едната или другата технология на заснемане може да се провали, 3D реконструкцията, базирана на фотография, има много предимства. Според авторите решаващият фактор е предназначението на 3D модела. Ако намерението е 3D модел за преживявания в реално време или даващ представа за мястото или обекта, тогава текстурираните мрежи са значително по-добри. Ако целта е представяне на качеството на изследването с възможност за извършване на измервания в рамките на известна толерантност на грешки, тогава лазерното сканиране е ясният избор. Алтернативата, разбира се, е да се внедрят и двете техники, както се е случило за записването на скалните заслони, една от които е представена като пример.